三頭部燃燒室點火過程中火焰傳播特性研究

馮劍寒，郎旭東，金 武，任勇智，李建中

（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中國航空發動機集團有限公司湖南動力機械研究所，株洲412002）

隨航空工業的迅速發展，對航空發動機也提出了越來越高的要求，而航空發動機燃燒室作為航空發動機的三大核心部件之一，其性能直接影響整個發動機的性能。其中，點火啟動過程關系到飛行器的地面起飛與高空再點火等性能，對航空發動機運行的可靠性和安全性至關重要[1]。現代航空發動機多使用航空煤油作為燃料，燃燒室長度也越來越短，燃料駐留時間減少，這對點火性能提出更大挑戰，因此，縮短點火延遲時間，探究點火過程中火焰傳播的機理對飛行器的安全至關重要。

點火是一個綜合了物理和化學反應的復雜過程，影響點火過程及周向點火時間的因素錯綜復雜，國內外進行了大量的研究。Bourgouin 等[2]使用丙烷和空氣作為預混氣，對實驗室尺度的燃燒室模型的點火與火焰傳播進行了機理研究，鑒別出周向點火的不同發展階段特征。Philip 等[3]采用大渦模擬（Large eddy simulation, LES）計算重現了Bour?gouin 等的實驗，并且將周向點火過程的不同階段進行了進一步的細化分析。Cordier 等[4?5]對多頭部矩形燃燒室模型進行研究，發現隨著噴嘴間距的變化，相鄰噴嘴間將出現“展向傳播”和“混合傳播”兩種火焰傳播模式。令狐昌鴻等[6]在環形旋流燃燒實驗平臺上也觀察到了類似的“混合傳播”周向火焰傳播模式。但對于多頭部和環形燃燒室點火過程的研究，目前多采用實驗室尺度的模型，而實際燃燒室加入旋流器、主燃孔、摻混孔等結構后，流場結構變得更加復雜，火焰傳播過程也更加復雜，因此，使用先進激光技術對燃燒室流場結構進行測量，結合流場對點火過程進行分析具有重要的意義。

Prieur 等[7]研究了不同當量比及流速下的周向點火時間，發現周向點火時間隨當量比的增大而減小，同時他還比較了3 種不同燃料的周向點火時間，發現不同燃料特性對點火時間存在影響。Bourgouin 等[2]通過數值模擬和實驗的方法研究了流速對周向點火時間的影響，發現周向點火時間隨流速增大而減小。眾多研究表明當量比與燃燒室周向火焰傳播機理有著密不可分的關系，但對其定量關系的研究依然十分缺乏，需要進行進一步的探究。

本文針對三頭部燃燒室，使用二維粒子圖像測速儀（Particle image velocimetry, PIV）測量燃燒室內不同截面位置的冷態時均流場，并使用高速攝像機拍攝燃燒室不同當量比下的點火過程。結合冷態時均流場與點火過程測量結果分析流動與點火過程中火焰發展的關聯，以及當量比對周向點火過程的影響。

1 試驗系統及方法

如圖1 所示為燃燒室的整體試驗系統圖，建立燃燒室的試驗系統主要包括：燃燒室、供氣系統、供油系統、點火系統及光學測量系統。氣源由最大流量為1.5 kg/s,供氣壓力在0.005～0.07 MPa 范圍內可調的羅茨風機供給，然后通過5 路支管分別對燃燒室進行供氣，在每一路支管上都安裝有閥門、渦街流量計以及浮子流量計，能夠實現對每一支管流量的精準控制；同時在燃燒室各進口處均開有測壓管，通過與水排連接來對進口總壓進行測量。試驗采用RP?3 液態航空煤油作為燃料，通過3 條油路對供油分別進行控制，每一條油路上都安裝有油泵以及壓力表，試驗選取的壓力表量程為0～1.4 MPa。試驗采用高能點火器進行點火，點火能量為0.4 J，點火頻率為2 Hz。

試驗使用PIV 來測量流場結構，采用平均直徑為10 μm 的玻璃微珠作為示蹤粒子，噴注位置設置在進氣總管上，通過長距離的混合來保證示蹤粒子分布的均勻性。試驗采用的激光器為Nd：YAG 雙脈沖激光器，激光波長532 nm，最大工作頻率為15 Hz，數字相機為Bobcat B2041 型，同步控制器為Micro Pulse 752 型，保證激光器、數字相機和圖像采集器之間的協調工作。

試驗使用高速相機來記錄點火和火焰傳播發展的過程，相機分辨率為1 280 像素×1 088 像素，拍攝頻率為1 000 Hz，試驗時通過相機對焦至燃燒室特定截面位置來記錄燃燒過程化學自發光成像的發光強度值。

試驗研究的三頭部燃燒室矩形件如圖2（a）所示，模型采用分布式進氣的方式，通過頭部、上下主燃孔、上下摻混孔單獨進氣來實現對各路流量的精準控制。如圖2（b）所示燃燒室3 個旋流器分別安裝在旋流器安裝板上，各旋流器間中心間距為60 mm，燃燒室采用噴霧錐角為78°的氣動霧化噴嘴，安裝在3 個旋流器的中心位置，點火電嘴分別布置在中間和左側旋流器位置，其中心距離旋流器出口7.5 mm，其放電端面距離燃燒室上壁面2 mm。在燃燒室主體結構上，布置了主燃孔和摻混孔，它們與旋流器之間的比例分別為1∶1 和1∶3，其分布方式均正對旋流器中心位置。為了實現燃燒室軸向平面和周向平面的光學測量，在燃燒室的側面布置有觀察窗1，其高度與燃燒室平齊，長度為110 mm，能夠對燃燒室主燃區、中間區及摻混區上游軸向截面的流場與火焰結構進行測量，在燃燒室末端布置有觀察窗2，它能對燃燒室整個周向截面的流場與火焰結構進行測量。燃燒室出口設置在模型的側面。

PIV 與點火試驗的測量截面及點火位置如圖3所示，L1 為中心對稱截面，L2 為點火位置截面，點火位置1 布置在中間頭部，點火位置2 布置在左側頭部，點火模式為SFFL 模式，即先啟動點火器形成電火花后再通燃氣。

圖1 試驗系統圖Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 三頭部燃燒室模型Fig.2 Triple?dome combustor model

圖3 測量截面及點火位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring sections and ignition positions

2 結果與討論

2.1 燃燒室點火過程分析

如圖4 所示為燃燒室中心對稱截面點火過程示意圖（點火器位置用白色虛線標出），進口為常溫常壓，總壓壓損系數δ=1.5%，點火油氣比FAR=0.05（當量比φ=0.744），如圖4（a）所示點火過程的原始圖像以灰度圖像的形式輸出，為了突出點火過程中火焰發展的細節以及邊界輪廓，對圖像進行了歸一化偽色彩處理（圖4（b）），圖中標尺代表圖片任意像素的發光強度與圖片最大發光強度之比I0/Imax，量綱為一。同時將點火前冷態時均流場矢量圖與火焰圖像相疊加，可反映出燃燒室點火過程中流動對火焰發展的影響。從圖中可以看到：電火花放電加熱附近混氣，形成了初始火核（t=1 ms）；由于電火花放電能量被周圍未燃混氣所吸收，主燃區附近燃油蒸發也需要吸收熱量，初始火核的發光強度首先會減小，同時，因為中心回流區附近燃油與空氣摻混效果最佳，初始火核的位置由點火器附近移動到了中心回流區的上側，并在這里形成了點火熱源（t=3～5 ms）；點火熱源不斷放熱，此時雖然主燃區附近火焰燃燒強度很小，但是未燃混氣的溫度在不斷升高（t=5～9 ms）；中心回流區附近區域開始發生化學反應，形成了初始火焰（t=9～11 ms）；初始火焰在中心回流區高度以內向徑向傳播，并沿回流區流線向旋流器附近進行軸向傳播（t=11～13 ms）；初始火焰在主燃區的燃燒強度提高，同時部分火焰越過主燃孔射流傳播到了中間區部分，主要分布在中間區的局部回流區附近（t=13～15 ms）；火焰燃燒強度迅速提高，此時火焰主要分布在主燃孔射流上下兩側的區域，因為此時主燃區旋流器附近已經處于富油狀態，而主燃孔射流帶入的空氣形成快速猝熄作用使得這部分區域最接近當量比（t=15～17 ms）；火焰持續擴大，但由于上下主燃孔和上下摻混孔交匯處會產生較大的速度梯度，此區域內氣流負向速度增加，燃油駐留時間減小，所以火焰擴張趨勢呈環形，其結構類似“C”形（t=17～19 ms）；隨著火焰不斷擴大，化學反應速率不斷提高，燃油蒸發率及未燃混氣溫度大幅增加，又將進一步促進化學反應速率的提高，在這一對正反饋作用下，燃燒室點火成功（t=19～27 ms）。

圖4 L1 截面點火過程示意圖Fig.4 Ignition process at L1

由于可近似認為點火過程中火焰發光強度反映燃燒反應的瞬時放熱速率，繪制出點火過程中的發光強度積分隨時間變化的曲線如圖5 所示。可以發現燃燒室點火過程在發光強度積分曲線上有階段性的變化，大致分為以下3 個階段，通過積分曲線能夠更加準確地判斷點火時間：

（1）點火熱源形成（t=1～6 ms）：初始火核能量被未燃混氣及燃油蒸發所吸收后，燃燒強度迅速減小，在中心回流區邊界處形成點火熱源。

（2）初始火焰形成（t=6～11 ms）：在點火熱源的不斷加熱下，中心回流區內開始形成了初始火焰，這段時間燃燒強度基本不變。

（3）燃燒室點火成功（t=11～27 ms）：分為兩個階段，第一階段初始火焰燃燒強度很小，火焰僅在中心回流區范圍內發展，曲線增加速率很低；第二階段燃燒強度增加到一定大小后，部分火焰傳遞到中間區，并呈“C”形環形擴張，曲線增加速率迅速增大，最終燃燒室點火成功，之后隨下游火焰擴散出燃燒室，亮度積分曲線下降至穩定。

如圖6 所示為點火位置截面周向點火過程示意圖，壓損為1.5%，點火油氣比為0.05（當量比0.744），白色虛線標示為旋流器中心位置，該截面能夠更加清晰地反映三頭部燃燒室周向點火過程中火焰的發展過程。從圖中可以看到：電火花放電加熱附近混氣，形成了初始火核（t=1 ms）；未燃混氣與燃油蒸發吸熱，初始火核燃燒強度減小，在點火器位置附近形成點火熱源（t=3～5 ms）；點火熱源不斷放熱，未燃燃氣溫度與燃油蒸發速率不斷升高，達到化學反應邊界，在點火熱源附近形成了初始火焰（t=5～9 ms）；初始火焰一方面沿徑向傳播，這部分火焰燃燒強度增加，另一方面也沿周向向右傳播到兩旋流器之間的部分，火焰基本沒有向旋流器左側傳播，可以發現，燃燒強度較低的初始火焰更易順流線方向進行傳遞(t=9～11 ms)；火焰在兩旋流器之間部分迅速擴張，由于中間旋流器中心形成的局部回流區的旋向為順時針方向，其上側流線與火焰邊界平行，所以火焰延伸了過去，但其下側流線與火焰傳遞方向相反，所以火焰并沒有傳遞過去（t=11～15 ms）；火焰燃燒強度繼續增加，達到一定大小時，火焰開始向左側旋流器左側區域傳遞，直到左側旋流器點火成功（t=15～21ms）；中間旋流器上側的火焰向右傳遞到了右側旋流器中心，同時其下側也被點燃，這時中間旋流器點火成功（t=21～27 ms）；此時火焰燃燒強度高，火焰傳播受流場結構的影響較小，由已經傳遞到右側旋流器中心的火焰在右側旋流器內呈環狀擴散傳播，最終燃燒室整體點火成功（t=27～37 ms）。

圖5 發光強度積分隨時間變化曲線圖（L1 截面）Fig.5 Variation of integrated chemiluminescent intensity of flame with time (L1)

圖6 L2 截面點火過程示意圖（氣比=0.05）Fig.6 Ignition process at L2 (FAR=0.05)

如圖7 所示燃燒室左側周向點火過程在發光強度積分曲線上也有階段性的變化，大致分為以下5 個階段，由于周向點火過程也包含了單個頭部點火過程，所以前3 個階段是一致的：

（1）點火熱源形成（t=1～5 ms）：初始火核能量被未燃混氣及燃油蒸發所吸收后，燃燒強度迅速減小，并在點火器附近形成點火熱源。

（2）初始火焰形成（t=5～9 ms）：隨未燃燃氣溫度與燃油蒸發速率不斷升高，達到化學反應邊界，形成初始火焰，這段時間火焰燃燒強度變化不大。

（3）左側旋流器點火（t=9～21 ms）：初始火焰順流線方向傳遞到兩旋流器之間的區域，并迅速擴張，燃燒強度也同時迅速增高，直到左側頭部點火成功。

（4）中間旋流器點火（t=21～27 ms）：左側旋流器點火成功后，隨下游火焰擴散出燃燒室，左側區域亮度下降，而中間旋流器還未完全點燃，此時曲線出現一個駐點，燃燒強度一段時間內不再增加甚至減小，之后再繼續增加，直到中間旋流器點火成功。

（5）右側旋流器點火（t=27～37 ms）：中間旋流器點火成功后，與上一過程相同，曲線又出現一個駐點，之后再繼續增加，直到右側旋流器點火成功，燃燒室整體點火成功后，隨下游火焰擴散出燃燒室，亮度積分曲線下降至穩定。

圖7 發光強度積分隨時間變化曲線圖（L2 截面）Fig.7 Variation of integrated chemiluminescent intensity of flame with time (L2)

2.2 當量比與周向點火過程相關性分析

為對比當量比變化對周向點火過程的影響，圖8 給出了壓損為1.5%、點火油氣比為0.04（當量比0.6）時點火位置截面點火過程示意圖。由圖中可以看出:從點火熱源形成到初始火焰形成這兩個階段，兩組當量比所用時間基本相同；在初始火焰發展階段，火焰在兩頭部間擴張速率明顯減小，左側旋流器點火的時間相比油氣比為0.05時增加了4 ms，且整體燃燒強度減小；中間旋流器與右側旋流器點火階段，兩組當量比所用時間又基本相同，在這兩個階段里，當量比主要影響的是火焰的燃燒強度，以及反應邊界的范圍。從圖中還可以看出：在低油氣比工況下，由于火焰放熱速率的減小，火焰始終沒有傳遞到中間旋流器下側區域，點火成功后，整體反應區面積也減小了很多。

圖8 L2 截面點火過程示意圖（油氣比=0.04）Fig.8 Ignition process at L2 (FAR=0.04)

如圖9 所示給出了不同當量比下火焰化學發光積分強度隨時間變化曲線，可以看出隨當量比增大，燃燒室周向點火所用時間是不斷減小的，τ0.04=42 ms、τ0.05=37 ms、τ0.06=33.5 ms。從圖中曲線同樣可以發現，當量比的變化主要影響為：（1）發光積分強度的大小，它隨當量比增加而增加，它能夠反映反應區域的范圍以及反應區域內火焰燃燒強度；（2）初始火焰形成到左側旋流器被點燃的這一段時間的大小，它隨當量比增加而減小，因為在初始火焰的發展階段，火焰尺度較小，此時火焰傳播速度是不斷增加的，燃后氣體溫度隨當量比增加而上升，產生更顯著的體積熱膨脹效應，同時更大的當量比對應更大的層流火焰傳播速度，所以火焰傳播所用時間隨當量比增加而減小。而在左側旋流器被點燃后，燃燒強度增大，火焰尺度增大到最大湍流渦尺度后，火焰停止加速，此時湍流火焰傳播速度基本穩定，只與湍流脈動速度和來流平均速度大小有關，由于試驗中模型與總壓損失均未發生改變，所以在后兩階段中火焰傳播速度基本相同。

當量比對與周向點火時間的影響主要有3 個因素：層流火焰傳播速度、燃后氣體的熱膨脹效應和湍流火焰傳播速度。航空煤油RP?3 的層流火焰傳播速度主要與當量比、初始溫度、初始壓力有關，根據Metghalchi 和Keck[8]提出的經驗公式有

式中：SL0為T0=400 K、p0=0.1 MPa 時RP?3 的 層流火焰傳播速度，φ 為當量比。又根據等Wu 等[9]提出的經驗公式，有

圖9 不同當量比下火焰化學發光積分強度隨時間變化曲線Fig.9 Variation of integrated chemiluminescent intensity of flame with time on various equivalence ratio

式中SL為p0=0.1 MPa 時、RP?3 在任意溫度T 下的層流火焰傳播速度。因此可以求得3 組當量比下的層流火焰傳播速度SL,0.04=16 cm/s，SL,0.05=25.8 cm/s，SL,0.06=33.2 cm/s。火焰面在燃后氣體段的傳播速度需考慮火焰的熱膨脹效應，即

式中：Sb為燃后氣體的火焰傳播速度；ρL/ρb為氣體體積膨脹比，在常壓下，它只與溫升相關，因此可以求 得 ρL,0.04/ρb=4.733， ρL,0.05/ρb=5.46， ρL,0.06/ρb=6.16。

由于燃燒室內流動會受到湍流的影響，火焰面的褶皺會影響火焰的傳播速度，湍流火焰速度與層流火焰速度的關系為

式中：St為湍流火焰傳播速度；Ξ 為湍流火焰的褶皺因子。

式中：u'表示湍流脈動速度；α 和n 為模型常數。

根據葉沉然等[10?11]提出的概念，估計周向點火時間τ 量級為

式中：L 為火焰周向傳播的距離，三頭部燃燒室在兩個旋流器之間傳播的距離分別為L1?2=0.06 m、L2?3=0.06 m，周 向 整 體 傳 播 距 離L1?3=0.12 m，并可進一步定義流動加速系數

流動加速系數用來估計流動因素對周向火焰傳播總體加速的效率，它包含湍流脈動對火焰面褶皺和旋流切向流動速度分量加速周向傳播等綜合因素，通過比較不同工況下或者不同過程中流動加速系數的大小，來評估熱膨脹效應和流動因素對火焰傳播的相對主導作用。

表1 為 油 氣 比 和 流 動 加 速 系 數 的 關 系，、分別表示兩個旋流器之間火焰傳播的流動加速系數，表示整個周向點火過程的流動加速系數。從表中可以看到，隨油氣比增加，流動加速系數不斷減小；且前兩個旋流器之間火焰傳播的流動加速系數總是小于后兩個旋流器之間火焰傳播的流動加速系數。

表1 油氣比與流動加速系數的關系Table 1 Relation between FAR and Ξ?

可以得到周向點火時間與流動加速系數、體積膨脹比、火焰層流傳播速度的關系為

為了評估熱膨脹效應和流動因素對火焰傳播的加速效應，定義一個宏觀上的火焰傳播速度S，其關系式為

對其兩邊取對數可以得到

圖10 各影響因子對火焰周向傳播速度的影響率Fig.10 Contribution of each factor to global flame propagation speed versus equivalence ratio

通過上式可以繪制如圖10 所示的關系圖，藍色區域對應流動因素的影響，黃色區域對應氣體熱膨脹效應的影響，可以看出，在來流速度或總壓損失不變的情況下增加當量比，藍色區域均逐漸減小，表明氣體的熱膨脹效應增加，流動因素對火焰傳播的加速效應相對減弱，所以流動加速系數隨當量比增加而減小；圖10（a）中火焰傳播速度隨當量比增大不斷增大，而在圖10（b）中它隨當量比增大基本不變，這是因為在前兩個旋流器之間時，火焰處于初始發展階段，火焰傳播速度是不斷增加的，燃后氣體溫度隨當量比增加而上升，產生更顯著的體積熱膨脹效應，所以火焰傳播速度隨當量比增加而增加。在后兩個旋流器之間時，火焰尺度增大，火焰加速基本停止，傳播速度基本穩定，只與湍流脈動速度和來流平均速度有關，所以火焰傳播速度隨當量比增加基本沒有變化。同時通過對比圖10（a,b）可以看到在初始火焰的發展階段，流動因素對火焰傳播的加速效應影響較小，主要以氣體熱膨脹效應為主導，這是因為在初始火焰形成時，火焰尺寸較小，由于只有尺度小于火焰尺寸的湍流渦系才能使火焰面發生褶皺，所以此時流動因素對火焰傳播的加速影響較小，而隨著火焰發展，火焰尺寸逐漸增大，更多的渦系能夠對火焰產生影響，所以此時流動加速系數會增大。

3 結 論

本文針對三頭部燃燒室試驗件，搭建了試驗測量平臺，使用二維PIV 流場測量技術，測量了燃燒室內中心對稱截面和點火位置截面的冷態時均流場，并使用高速攝像機對不同當量比下的點火過程進行了拍攝，通過將點火前冷態時均流場矢量圖與點火過程圖像相疊加的方式，探究了燃燒室的周向點火過程以及流動與點火過程中火焰發展的關聯，同時也探究了當量比對周向點火過程的影響。得到了以下結論：

（1）通過流場和火焰形態的結果表明，初始火核主要在中心回流區邊界形成，其傳播過程具有階段性，先順流線方向進行傳遞，待燃燒強度增大到一定值后，火焰才開始向其他區域延伸。

（2）在相同壓損下，當量比減小會使得燃燒室周向點火時間增加，其中主要為初始火焰發展階段的時間增加，當量比由0.89 減小到0.6 時，周向點火時間由33.5 ms 增加到42 ms。

（3）在初始火焰的發展階段，氣體熱膨脹效應對火焰傳播加速效應占主導作用；而隨著火焰尺寸的增長，更多尺度的湍流渦能夠對火焰前鋒面進行擾動，導致流動對火焰的加速作用急劇增加，火焰傳播速度增大。

（4）在相同壓損下，當量比由0.89 減小到0.6時，流動加速系數由1.75 增加到3.77，說明隨當量比減小，湍流褶皺等流動因素對火焰傳播的加速效應增大。